Введение к работе
Актуальность темы. В современных условиях задачами отечественной экономики являются внедрение инновационных технологий, использование которых приводит к повышению качества готовой продукции, снижения энергоемкости, металлоемкости, повышении производительности труда, уменьшению отрицательного влияния производства на окружающую среду.
Метизное производство является, в основном, завершающим переделом черной и цветной металлургии. Отставание от передовых технологий не даст возможности производителям переходить на современные виды крепежа и будет способствовать увеличению импорта не только высокотехнологичных крепежных изделий, но и высококачественного крепежа традиционного ассортимента. Результат — невысокая финансовая эффективность инвестиций в данный сектор производства, высокая вероятность товарной интервенции.
Применение индукционного способа нагрева для термообработки продукции метизной отрасли позволит повысить качество получаемой продукции, сформировать требуемую структуру металла при одновременном сокращении расхода электроэнергии.
Постоянно расширяющееся многообразие технологий, в которых применяется индукционный нагрев, определяет многообразие форм и видов индукторов, функциональный, мощностной и частотный диапазон индукционного оборудования. В связи с большим разнообразием продукции в метизном производстве в технологических цепочках существуют различные схемы термообработки, поэтому номенклатура используемого нагревательного оборудования достаточно обширна. Средствами нагрева и охлаждения, как в нагревательных, так и в термических печах могут быть продукты сгорания, радиационные трубы, электронагреватели, индукционные нагреватели.
В черной и цветной металлургии есть области, где индукционный нагрев не нашел широкого применения. Это термообработка стальной проволоки и калиброванной стали, нагрев рулонов ленты. Существующее современное электротермическое оборудование, применяемое под термообработку листового проката и калиброванной стали в бунтах, - это, в основном, колпаковые электропечи сопротивления косвенного действия. Они позволяют обеспечить требуемое качество металла при широком варьировании типоразмеров загрузки, температур и назначений термообработки. Однако они имеют низкую производительность и ограниченные резервы в сокращении длительности нагрева за счет интенсификации внешнего теплообмена (не более 10-15%).
В работе рассматриваются особенности применения индукционного способа нагрева в метизной промышленности для ранее не используемого класса объектов, таких как мотки проволоки и бунты калиброванной стали, рулоны металлической ленты.
Для формирования определенной структуры металла часто необходимо сочетание скоростного индукционного нагрева с возможностью реализации технологической выдержки. Поэтому кардинальное решение задачи следует искать в сохранении достоинств термообработки в колпаковых печах, но с теплогенерацией внутри нагреваемой загрузки. В этом случае необходимо применение индукционных установок периодического действия.
Многие высоколегированные стали, поставляемые для дальнейшей переработки и потребления в виде проволоки и прутков при холодной деформации значительно упрочняются и после одной протяжки с обжатием 20-30 % теряют вязкость и приобретают склонность к поверхностному трещинообразованию. Для того, чтобы осуществить дальнейшее волочение такой проволоки необходимо ее отжигать после каждой холодной протяжки.
Эффективным средством снижения количества промежуточных отжигов является подогрев проволоки до определенных температур перед ее волочением (до 300 - 450 С), т.е. применение теплого волочения, в результате которого наклеп проволоки значительно уменьшается или даже полностью отсутствует.
Проволочные станы часто состоят из реверсивной черновой клети и непрерывной группы. Заготовка входит в непрерывную группу с очень низкой скоростью - 0,5 - 1 м/с. В результате конец заготовки остывает настолько, что условия прокатки его значительно отличается от головной части. Перепад температур между головным и хвостовым участками может достигать 300 С. Снижение температуры металла в процессе прокатки создает определенные проблемы.
Промежуточный индукционный нагрев поддерживает температуру заготовки постоянной на входе в чистовую группу стана, что позволяет увеличить массу бунта, повысить производительность, снижает износ калибров валков, позволяет снизить температуру печи и окисление границ зерен металла, достичь более жестких допусков по сечению металла.
Цель работы. Расширение области применения индукционного нагрева для термообработки продукции метизной отрасли. Исследование влияния индукционного способа нагрева на скорость, качество нагрева стальной проволоки в бунтах и удельные энергозатраты. Изучение процессов, происходящих при индукционном нагреве стальной проволоки в бунтах, рулонов ленты - тел, обладающих физически неоднородной структурой. Исследование эффективности применения индукционного нагрева проволоки, нити которой объединены в пучок. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Определение области эффективного применения энергосберегающих технологий индукционного нагрева в метизной промышленности
-
Исследование влияния индукционного способа нагрева на температурно-временные факторы при формировании структуры, на повышение равномерности нагрева и качество термообработки
проволоки, калиброванной стали в бунтах с учетом поставленной технологической задачи.
-
Составление обобщенных и проблемно-ориентированных моделей, учитывающих все основные закономерности, присущие индукционному нагреву бунтов калиброванной стали.
-
Разработка энергоэффективных технологических режимов термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали с применением индукционного способа нагрева. Проведение анализа энергетического эффекта, получаемого от совершенствования конструкции индукционных нагревателей для термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали и режимов их работы.
-
Оценка эффективности применения средне и высокочастотного индукционного нагрева как одной нити, так и пучка из нескольких нитей стальной проволоки.
Методы исследования. Исследования электромагнитных и тепловых процессов систем индукционного нагрева проводились с помощью компьютерного моделирования методами математической физики и вычислительной математики. Разработанные математические модели базируются на методах: теории вероятностей и математической статистики, использовании методов теории гидродинамики, методов решения интегральных уравнений, методов конечных разностей и их комбинациях. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях с использованием разработанных методик.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием апробированных математических и численных методов, также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов.
Справедливость выводов относительно адекватности используемых
математических моделей, достоверности, работоспособности и
эффективности предложенных режимов и конструкций подтверждена результатами математического моделирования и промышленными экспериментами.
Научная новизна работы определяется тем, что она расширяет и углубляет теоретические представления об общих закономерностях протекания физических процессов при индукционном нагреве для ранее не используемого класса объектов. В работе получены следующие основные научные результаты:
1. Исследовано применение индукционного нагрева в метизной промышленности для ранее не используемого класса объектов, таких как бунты калиброванной стали и рулоны металлической ленты. Исследовано влияние способа нагрева на продолжительность термообработки указанных объектов, энергозатраты, на получение требуемой структуры металла.
-
Оценено влияние на скорость и равномерность нагрева вынужденной конвекции, возникающей при вибрации витков проволоки в электромагнитном поле. Выявлены качественные и количественные закономерности процессов внутреннего теплопереноса с относительным движением витков металлической проволоки и воздуха.
-
Разработана комплексная математическая модель для расчета распределения электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве системы тел, обладающих неоднородностью электро- и теплофизических свойств по сечению и объему.
-
Разработана имитационная модель для определения электро- и теплофизических характеристик объектов нагрева, являющихся случайными величинами с нормальным распределением.
-
Исследована эффективность применения индукционного нагрева проволоки, нити которой объединены в пучок. Определена эффективная частота тока при индукционном нагреве пучка проволоки в зависимости от количества нитей и диаметра проволоки.
Практическая ценность работы. Обоснованы теоретически и проверены экспериментально в промышленных условиях преимущества применения индукционного способа нагрева в тех областях металлургической промышленности, где он не нашел широкого применения: отжиг стальной проволоки в мотках, нагрев рулонов ленты. Применение индукционного способа нагрева позволяет сократить расход электроэнергии и повысить качество обработки металла. Разработанные математические модели позволяют решать комплексные задачи исследования электротепловых, термогидродинамических процессов для разработки конструкций и режимов работы индукционных установок. Результаты исследования применены для разработки технологических режимов индукционной термообработки калиброванной стали в бунтах и совершенствования конструкции индукционных нагревателей для термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали и режимов их работы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование эффективности применения индукционного нагрева в метизной промышленности для ранее не используемого класса объектов
-
Комплексная математическая модель для расчета распределения электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве тел, обладающих неоднородностью электро- и теплофизических свойств по сечению и объему, учитывающая взаимное влияние различных процессов.
-
Технологические режимы термообработки калиброванной стали в бунтах и конструкции индукционных нагревателей для термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали, режимов их работы.
-
Имитационная модель для определения электро- и теплофизических характеристик объектов нагрева, являющихся случайными величинами с нормальным распределением.
-
Обоснование эффективности нагрева проволоки, нити которой объединены в пучок, определение минимальной частоты, при которой нагрев становится эффективным в зависимости от количества нитей и диаметра проволоки.
Реализация результатов работы. Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы:
при выполнении фундаментальных НИР в рамках гранта ФЦП № НК-66П Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии»;
в проектно-конструкторских организациях и предприятиях метизной промышленности;
вариант конструктивного исполнения индукционной печи для термообработки бунтов калиброванной стали и усовершенствованные режимы отжига бунтов калиброванной стали внедрены на Магнитогорском метизно-калибровочном заводе. Экономия на себестоимости на термообработке и отжиге бунтов составляет 67%. Теоретические результаты вошли в учебные материалы Всероссийской
научной школы для молодежи «Высокоэнергетические методы обработки материалов», проводимой в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина). Результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет» при чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании, а также в магистерском курсе «Численные методы в теории электромагнитной обработки материалов» в СПбГЭТУ(ЛЭТИ).
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всесоюзной научно-технической конференции «Энергосберегающие
технологии и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного
хозяйства металлургических предприятий» (Миасс, 1987); 11 Всесоюзной
научно-технической конференции молодых ученых «Проблемы
теплотехники металлургических процессов и агрегатов» (Свердловск, 1988);
Всероссийской научно-технической конференции «Энергетики и металлурги
настоящему и будущему России» (Магнитогорск 1998); Международной
научно-технической конференции «Экологические проблемы
промышленных зон Урала» (Магнитогорск, 1998); Региональной научно-технической конференции «Новые программные средства для предприятий
Урала» (Магнитогорск 2003г, 2004г.); Ill Межвузовской, конференции по научному программному обеспечению «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях». (Санкт-Петербург, 2005г.); Всероссийской научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской федерации» (Магнитогорск, 2005г.); 6-ой Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург, 2005 г.): Второй Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006.); 7-ой Международной научно-технической конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении» (Харьков, Украина, 2006.); Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства. (Череповец, 2006); Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий -прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007 г.); Пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт - Петербург, 2008); IV международной научно-практической конференции «Печные агрегаты» (Москва, 2008г.); 2-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» С-Петербург, 20-22 мая 2009 г; Третьей Международной металлургической конференции «МЕТАЛЛУРГИЯ-ИНТЕХЭКО-2010» (Москва, 2010).
Публикации по теме диссертации. По результатам проведенных исследований опубликовано 54 печатные работы, среди которых 7 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых в действующем перечне ВАК, монография, два учебных пособия, авторское свидетельство СССР, свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 191 наименований и одного приложения. Работа изложена на 252 листах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 6 таблиц.
